Fizika 1i - fizipedia.bme.hu

Fizika 1i

Hőtan 1

1

differenciálegyenletek: mind gyakorlatilag, mind elméletileg

(Heisenberg) megoldhatatlan

Termodinamika

Korpuszkuláris elmélet:

a rendszerek szabad szemmel nem látható elemi részekből

tevődnek össze.

Mechanika törvényei

A termodinamika a mikroszkopikus mennyiségek

helyett makroszkopikus, statisztikus (átlagos)

mennyiségekkel dolgozik (pl. nyomás, belső

energia, hőmérséklet). 2

Termodinamika

•a mechanikától, eltérően itt a folyamatok egyirányúak, nem

megfordíthatók.

•ez az első olyan leírás, amelyik egy fizikai rendszer

evolúciójával (fejlődés, haladás, természettudományos

materializmus, darwinizmus) számol.

•a hagyományos TD elsősorban energetikailag írja le egy

fizikai rendszer viselkedését.

•termodinamikai módszerekkel (statisztikus extenzív és

intenzív mennyiségek, entrópia) dolgoznak más

tudományágak is (pl. közgazdaságtan).

3

4

Termodinamikai rendszer

A térnek jól definiálhatóan, képzelt vagy valós

határfelülettel elkülönített része.

Heterogén: ugrásszerűen változó makroszkopikus

tulajdonságok.

Pl. jég-víz rendszer

Fázis: a rendszer homogén kémiai összetételű és homogén vagy

inhomogén fizikai szerkezetű része.

Komponens: a rendszernek a kémiai tulajdonság alapján

megkülönböztethető része.

Homogén: makroszkopikus tulajdonságok minden

pontban azonosak.Inhomogén: egyes makroszkopikus tulajdonságok helyről

helyre változnak; eloszlásukat folytonos függvény írja le.

5

A rendszer állapotától függő makroszkopikus jellemzőket

állapotjelzőknek (állapothatározóknak) nevezzük.

Az alap-állapot jelzők:

tömeg (anyagmennyiség) m (n)

térfogat V

nyomás (p)

hőmérséklet (T)

koncentráció (c)

Termodinamikai rendszer

Extenzív: függnek a rendszer kiterjedésétől és additívak :

tömeg (m), térfogat (V), belső energia (U),..

Intenzív: nem függenek a rendszer méretétől, és nem

additivak: hőmérséklet (T), nyomás (p), koncentráció ( c)

6

A rendszer termodinamikai egyensúlyban van, ha az

állapothatározók egyike sem változik. Egyensúlyban nem

játszódnak le makroszkopikus folyamatok.

Nem egyensúlyi rendszer: állapothatározók az időben

változnak.

Reverzibilis változás: végállapotból ugyanazon közbülső

egyensúlyi állapotokon keresztül jut a rendszer a kezdeti

állapotba. Olyan folyamat, amelyet a változók

infinitezimális módosításával meg lehet fordítani.

A valóságos folyamatok mindig irreverzibilisek.

Pl. egy gáz reverzibilis

összenyomása azt jelenti, hogy

a külső nyomás csak

észrevétlenül nagyobb, mint a

gáz nyomása, tehát a rendszer

és környezete között

mechanikai egyensúly van.

pk

p

gáz p = pk

A valóságos folyamatok sok esetben jól megközelítik a

reverzibilis határesetet.

Gyakran vizsgált folyamatok:

Izoterm ( t=áll. )

izobár (p =áll.)

izosztér, izochor (V = áll.)

adiabatikus (Q = 0)

7

1737-ben tervezte meg a ma is általánosan használt

(100 fokos beosztású) hőmérsékletskálát, melynek azóta

is megőrizte nevét, sőt az egyik leggyakrabban elhangzó

névvé tette világszerte. Ötlete, amelyet 1742-ben

ismertetett a Svéd Akadémián tartott előadásában,

leegyszerűsítette a hőmérsékletmérést, és a kapcsolódó

számításokat.

Celsius azonban a forráspontot jelölte 0-val, s a

fagyáspontot 100-al, a két számot 1750-ben Stromer

svéd tudós cserélte fel.

Andres Celsius (1701-1744)

Hőmérséklet

8

KÜLÖNBÖZŐ HŐFOKSKÁLÁK

ÖSSZEHASONLÍTÁSA

0

100

Fahrenheit

Réaumur

Celsius

80212

32 0 273,15

373,15

01.

491,67

671,67

0

Kelvin1 K = 1 Co

Rankine1 Ro =1 Fo

2.

3.

Abszolút

hőmérsékletskálák

Alappont

Alappont

Alappont

9

10

Hőtágulás

Szilárd testek:

Lineáris hőtágulás.

l=l0(1+αΔT) ΔT=T-T0

Térfogati hőtágulás

V=V0(1+βΔT) ΔT=T-T0

11

12

Folyadékok termodinamikája.

Térfogati hőtágulás.

V=V0(1+βΔT) ΔT=T-T0

β a térfogati hőmérsékleti együttható,

β=3 α

13

14

víz jég

Víz térfogatváltozása

15

Hőmennyiség

a testek hőmérséklet változásához szükséges energia.

Jele: Qmértékegysége: J (joule)

Q=CnΔT=cmΔT

ahol C [J/molK] a molhő, c [J/kgK] a fajhő.

Energiatranszport, amelyet a hőmérséklet-eloszlás

inhomogenitása hoz létre

Hőátmenettel járó folyamatok: melegítés, hűtés

fázisátalakulás

kémiai reakció

Nyomás

p = F/A (nyomóerő/felület)

Egysége: Pascal (N/m2)

1 bar = 105 Pa

1 atm = 1,013 105 Pa

1 torr = 1 Hgmm: 1 mm magas higanyoszlop

hidrosztatikai nyomása (p = r g h)

Gázokban a nyomás a molekulák által szállított impulzus

áramsűrűsége.

Erő: dt

mvdF

)(

16

17

Belső energia U:

a rendszert felépítő részecskék kinetikus és potenciális

energiájának az összege.

Nem foglalja magában az egész rendszernek, mint

makroszkopikus testnek a kinetikus és potenciális

energiáját.

a belső energia abszolút értékét nem tudjuk

pontosan megadni, csak a változását: U.

A mechanikai munka az erő és az elmozdulás skalárszorzata:

dlFW

Termodinamikában a legtöbbet a térfogati munkával találkozunk.

p

pk Fdl

2

1

V

V

kterf

kterf

k

dVpW

dVpW

dlApdlFW

A munka

I. főtétel: Energia-megmaradás törvénye

Elszigetelt rendszer: U = 0

Zárt rendszer: U = W + Q

0. főtétel: Izolált rendszer egyensúlyi állapot felé tart,

a kialakuló egyensúly stabil

Állapotegyenlet: az egyensúlyban levő rendszer

állapotfüggvényei között teremt kapcsolatot.

Pl. ideális gáz R = 8,314 Jmol –1 K-1

állapotegyenlete: V m3

pV = nRT T K

p Pa

n mol

Valóságos anyagok állapotegyenletei empirikus függvények

( hatványsor, diagram, táblázat formájában).

Gázok termodinamikája

Ideális gáz: • nincs saját alakja, • kitölti a rendelkezésre álló teret,•kölcsönhatás a részecskék között csak ütközéskor

20

Az állapotegyenlet ábrázolása háromdimenziós

koordinátarendszerben: állapotfelület

f (p, V, T, n) = 0

21

Tökéletes gázok állapotváltozásai

(izobár, izochor, izoterm)

Reverzibilis állapotváltozásokat tárgyaljuk.

p

V

1 2

3

4

1 -2: izobár

3 - 4: izochor

2 - 3: izoterm

Entalpia-változás:

Izochor állapotváltozás (V=állandó)

Térfogati munka:

Hő (belsőenergia-változás):

dTCnUQ

T

T

mvv 2

1

W = 0

2

1

2

1

2

1

T

T

mp

T

T

T

T

mv dTCndTRCndTnRUpVUH

Belsőenergia-változás:

dTCndTRCndTCndTnRQWU

T

T

mv

T

T

mp

T

T

T

T

mp 2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

1212

V

V

TTnRVVpdVppdVW

Izobár állapotváltozás (p állandó)

Térfogati munka:

Hő (entalpia-változás):

dTCnHQ

T

T

mpp 2

1

Izoterm állapotváltozás (T állandó)

2

1

V

V

pdVW

Térfogati munka:

V

nRTp

2

1

1

2 lnln2

1V

VnRT

V

VnRT

V

dVnRTW

V

V

Boyle-Mariotte törvény:2211 VpVp

1

2

2

1 lnlnp

pnRT

p

pnRTW

U = 0 Q = -W H = 0

1

2lnp

pnRTWQ

26

Q = 0, U = W

Adiabatikus folyamatban mindhárom állapotjelző

(p, T, V) változik.

Adiabatikus állapotváltozás (Q = 0)

állandóTV 1 v

p

C

C